JP2003176108A - 金属超微粒子を担持した多孔質材料の作製方法 - Google Patents

金属超微粒子を担持した多孔質材料の作製方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属超微粒子を担持した多孔質材料及びその
作製方法を提供する。 【解決手段】 以下の工程;(1)金属イオンをドデカ
ンチオールに代表される分子の存在下で還元することに
より、表面を保護した金属超微粒子を作製する、(2)
金属超微粒子の溶液にウエットゲルを浸すことによっ
て、金属超微粒子をゲル内に担持させる、(3)上記金
属超微粒子・ウエットゲル複合体を乾燥することにより
多孔体とする、ことにより金属超微粒子を担持した多孔
質材料を作製し、更に、これを加熱することにより表面
の保護分子を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属超微粒子を担
持した多孔質材料の作製方法に関するものであり、更に
詳しくは、触媒あるいは微小サイズ効果を用いたフォト
ニクス材料等への応用が期待される、直径数ナノメート
ルの金属超微粒子を担持した多孔質材料を作製する方法
及びその多孔質材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、金、パラジウムなどの金属微粒子
を多孔質担体中に担持させた材料は、不均一触媒として
その応用が進められている。不均一触媒は、その固体触
媒表面で反応が進行するため、触媒表面積を増加させる
こと及び反応物が触媒表面に到達しやすくすることが、
触媒効率を上げるために重要である。このため、これま
で応用・開発が進められている触媒系は、多孔質体中に
金属微粒子を担持させた構造となっている。また、金属
超微粒子を透明なマトリックスに分散した材料は、超微
粒子に特有な、高い3次の非線形光学特性を利用したフ
ォトニクス材料への応用が期待されている。そのような
材料の作製方法としては、金属塩をシリコン等のアルコ
キシド溶液に混入させ、マトリックスのゲル化の過程
で、加熱及び還元剤添加により超微粒子を析出させる方
法が一般的である。
【0003】従来用いられている、金属超微粒子を多孔
質材料に担持させた材料の作製方法について説明する
と、最も一般的なものは、ハニカム形状等の多孔質体を
まず作製し、これを金属(イオン)を含む溶液と接触さ
せた後、熱処理・還元して作製する方法である(文献:
大西孝治著、触媒−その秘密を探る−、大日本図書、昭
和62年)。しかしながら、この方法では、多孔質体が
金属導入処理で破壊されないように強度を持って作製さ
れる必要があり、多孔質体の単位重量当たりの表面積を
そう大きくはできず、金属導入量も制限される。従っ
て、材料の単位重量当たりの触媒量もそう大きくはでき
ない。また、金属微粒子自体も、熱処理・還元処理を通
して生成するため、熱処理時に焼結が起こり、直径数ミ
クロン程度の比較的大きな微粒子となる。
【0004】一方、直径数〜数十nmの金属超微粒子を
担体の中に分散させる方法としては、ゲル中での金属超
微粒子の作製が一般的である(文献:上野、水上、袖澤
編、金属アルコキシドを用いる触媒調製、アイシーピ
ー、平成5年)。この方法では、担体の前駆体となる金
属アルコキシドの溶液に、担持したい金属の塩又は錯体
を加え、これを加水分解・ゲル化してから乾燥させ、数
百℃に加熱することにより金属超微粒子を担体中に析出
させるか、あるいは加熱する代わりに、還元性の試薬を
添加することにより、室温で超微粒子を作製する。この
方法を用いれば、細かい担体ネットワーク中に任意の割
合で金属超微粒子を担持させられるが、乾燥したゲルの
熱処理・還元段階で金属超微粒子の析出が起こるため、
粒子の大きさの制御が難しいとともに、加熱処理の場合
には粒子の焼結が起こり、比較的大きな超微粒子が生成
するという問題点がある。
【0005】直径数nmの金等の金属超微粒子は、溶液
中、空気中などではそのままでは存在できず、凝集・融
合化が起きる。しかしながら、チオール等の保護基をこ
れらの金属超微粒子の表面に吸着させることによりそれ
を阻止することが可能である。具体的には、例えば、塩
化金酸などの金属イオンをアルキルチオール等の存在下
で還元することにより、直径数nmの大きさで金属を安
定に存在させることが知られている。また、作製条件を
制御することにより、生成する金属超微粒子の大きさを
制御することも可能である。しかしながら、これらの金
属超微粒子を、触媒として利用できるように、チオール
等の表面保護基を除去した形態で、多孔質体に分散させ
る技術、また、これらをフォトニクス素子への応用が可
能なように、透明な無機物質に分散させる技術は、未だ
開発されていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このような状況の中
で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、予めサイズ
制御して作製した、直径数nmあるいはそれ以上の大き
さの金属超微粒子を、超微粒子のサイズを変化させるこ
となく無機多孔質材料中に任意の割合で導入する技術を
開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、
表面保護した金属超微粒子の溶液にウエットゲルを浸す
こと、この金属超微粒子・ウエットゲル複合体を乾燥す
ること、この乾燥体を加熱して表面の保護分子を除去す
ること、により所期の目的を達成し得ることを見出し、
本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、液相法に
より金属超微粒子を作製し、これをゲル内へ担持した金
属超微粒子・ウエットゲル複合体を作製し、更に、これ
を乾燥して金属超微粒子・エアロゲル複合体を製造し、
提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。 (1)金属超微粒子を担持した多孔質材料を作製する方
法であって、以下の工程;金属イオンをチオールに代表
される表面保護基の存在下で還元することにより、表面
を保護した金属超微粒子を作製する、上記金属超微粒子
の溶液にウエットゲルを浸すことにより、金属超微粒子
をゲル内に担持させた複合体とする、上記金属超微粒子
・ウエットゲル複合体を乾燥する、から成ることを特徴
とする上記多孔質材料の作製方法。 (2)金属が、金、銀、パラジウムなどの貴金属、鉄、
コバルトなどの遷移金属から選択される1種又は複数種
である、前記(1)に記載の金属超微粒子を担持した多
孔質材料の作製方法。 (3)金属超微粒子の粒径が1〜20nmである、前記
(1)に記載の金属超微粒子を担持した多孔質材料の作
製方法。 (4)金属超微粒子を溶解する溶媒が、トルエン、ヘキ
サン、及び/又はテトラヒドロフランである、前記
(1)に記載の金属超微粒子を担持した多孔質材料の作
製方法。 (5)使用するウエットゲルが、シリカウエットゲルな
いしアルミナウエットゲルである、前記(1)に記載の
金属超微粒子を担持した多孔質材料の作製方法。 (6)複合体を自然乾燥あるいは超臨界乾燥により乾燥
する、前記(1)に記載の金属超微粒子を担持した多孔
質材料の作製方法。 (7)前記(1)に記載の方法で作製した多孔質材料を
加熱することにより表面の保護分子を除去することを特
徴とする金属超微粒子を担持した多孔質材料の作製方
法。 (8)前記(1)から(7)のいずれかに記載の方法に
より作製された、金属超微粒子・エアロゲル複合体から
構成される、金属超微粒子を担持した多孔質材料。
【0008】
【発明の実施の形態】次に、本発明について更に詳細に
説明する。本発明は、前述のように、チオールに代表さ
れる表面保護基を表面に吸着させることにより安定化さ
せた金属超微粒子を含む溶媒溶液中に、担体多孔質体と
なるウエットゲルでその液相を上記溶媒に置換したもの
を浸すことを一つの構成要素としており、これにより、
安定化された金属超微粒子が凝集等の構造変化を起こす
ことなく、自発的にウエットゲルの内部表面に吸着され
る。導入する金属超微粒子の濃度は、浸す溶液中の金属
超微粒子の濃度や、浸す時間を変化させることにより制
御することができる。また、本発明は、このようにして
得られた金属超微粒子を吸着したウエットゲルを自然乾
燥あるいは液化炭酸ガスを用いる超臨界乾燥を行うこと
を構成要素としており、これにより、金属超微粒子が凝
集することなく溶媒溶液として最初に導入されたものと
同じ大きさのまま、担体多孔質体中に均一に担持された
材料が得られる。更に、本発明は、得られた担持材料を
適度な温度で加熱することを構成要素としており、これ
により、金属コアの大きさをほとんど変化させることな
く、表面の保護基を除去し、金属超微粒子を、表面の保
護分子を除去した形態で、多孔体に分散させることがで
きる。
【0009】本発明において、上記金属超微粒子として
は、好適には、例えば、金、銀、パラジウムなどの貴金
属、鉄、コバルトなどの遷移金属が使用される。また、
上記チオールに代表される表面保護基としては、ドデカ
ンチオール、ベンゼンチオール等のチオール類、トリフ
ェニルホスフィン等のリン化合物などの金属超微粒子を
溶媒溶液中で安定化させる適宜の試薬が用いられる。こ
れらは、溶媒溶液中で金属が凝集せずに安定に存在でき
る組み合わせであればよく、金属超微粒子及びそれを安
定化させる試薬ともに上述のものに限定されるものでは
ない。本発明において、上記チオールに代表される表面
保護基とは、このように、金属超微粒子を溶媒溶液中で
安定化させる適宜の試薬を意味するものとして定義され
る。また、上述の作製方法による金属超微粒子の粒径
は、1〜20nm程度のものが一般的ではあるが、特
に、この粒径域に限定するものではない。
【0010】担体多孔質となるウエットゲルとしては、
例えば、シリカウエットゲル、アルミナウエットゲルな
どが使用される。これらのウエットゲルは、通常、例え
ば、シリカウエットゲルならば、ケイ酸メチルやケイ酸
エチル等の金属アルコキシドの加水分解とゲル化により
作製されるが、以下の溶媒置換等に耐える強度のウエッ
トゲルが得られるならば、それらの物質及び作製法とも
にこれらに限定されるものではない。また、ウエットゲ
ルを作製する場合、例えば、金属アルコキシドをエタノ
ール等のアルコールで希釈してから加水分解・ゲル化を
行わせることにより各種の金属酸化物濃度のウエットゲ
ルを得ることができ、当該ウエットゲル及びその乾燥法
によって各種密度の多孔質体(金属超微粒子を担持し
た)を得ることができる。
【0011】金属超微粒子をウエットゲル中に吸着させ
るときに用いる溶媒としては、安定化された金属超微粒
子が安定に存在し、かつウエットゲルが安定に存在でき
るものであればよく、例えば、トルエン、ベンゼン、ヘ
キサン、テトラヒドロフラン等やこれらの混合溶媒、及
びこれらとエタノール、アセトニトリル等の不溶性溶媒
との混合物が使用される。金属アルコキシドの加水分解
とゲル化などの方法により作製されたウエットゲルは、
その液相を互いに混じり合う溶媒で順次置換して目的の
溶媒を液相とするウエットゲルとされる。例えば、目的
の溶媒がトルエンであり、ウエットゲルがアルコキシド
の加水分解とゲル化で作製されたものである場合、ウエ
ットゲルは、その液相が水とエタノール等のアルコール
との混合液であるので、まず、液相を純アルコールに置
換し、次いで、トルエンに置換する。ウエットゲル中の
液相の置換は、ウエットゲルを置換する純溶媒中に浸し
て室温で5〜6時間放置し、溶媒を新しいものに交換す
る操作を2〜3回繰り返すことにより行われる。もちろ
ん、上記放置時間及び溶媒交換回数は、ウエットゲルの
大きさにより適宜変えられるべきものである。
【0012】安定化された金属超微粒子を含む溶液中に
上述のウエットゲルを浸す条件は、室温で1〜2日程度
が普通である。この程度で溶液中の金属超微粒子はウエ
ットゲルの内部表面に吸着される。通常、金属超微粒子
を含む溶液は着色しており、ウエットゲルは無色で半透
明かほぼ透明であるので、ウエットゲル側が着色してい
き、溶液側が無色透明等溶媒本来の色になっていくこと
から反応の進行がわかる。溶液中の金属超微粒子の濃
度、溶液に浸す時間、及び溶液量とウエットゲル量の比
率を変えることにより、最終的に得られる多孔質体中の
金属超微粒子の濃度を変化させられる。
【0013】金属超微粒子を吸着したウエットゲルは、
自然乾燥あるいは超臨界乾燥により多孔質体とされる。
自然乾燥は、通常は、室温、大気中で数日放置という方
法で行われるが、溶媒の種類、乾燥時の収縮防止の観点
から、若干の加熱、あるいは減圧下の乾燥等、各種の条
件設定を行うことが可能であり、乾燥して多孔質体が得
られるならば、上述の方法に限られるものではない。ま
た、超臨界乾燥を用いる場合は、乾燥に必要な温度が低
くてよいように、専ら二酸化炭素媒体の超臨界乾燥が用
いられる。金属超微粒子を吸着したウエットゲルをオー
トクレーブ中に入れてウエットゲルの液相溶媒でオート
クレーブを満たし、加圧下で液相を液化二酸化炭素に置
換した後、オートクレーブ内を二酸化炭素の臨界条件以
上、例えば、50℃、10MPaとして二酸化炭素を超
臨界流体とした後、温度を維持しつつ二酸化炭素を除去
して多孔質体を得る。この方法により、金属超微粒子を
担持した極めて低密度な多孔質体が得られる。なお、超
臨界媒体は、乾燥に必要な温度が金属超微粒子が焼結し
ない程度に低いものであればよく、二酸化炭素に限られ
るものではない。
【0014】本発明では、金属超微粒子を担持した多孔
質材料を加熱することにより表面の保護分子を除去する
が、保護分子の脱離する温度は、示差熱分析や熱重量分
析等により見積もることができる。多孔質材料中の金属
超微粒子からの保護分子の脱離は、例えば、電気炉中
で、その脱離温度より10℃程度高い温度で1時間程
度、加熱処理することにより達成される。なお、加熱装
置、温度、加熱時間は、保護基の脱離に十分であればよ
く、上記のものに限るものではない。
【0015】
【実施例】次に、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるも
のではない。 実施例1 (1)金属超微粒子の作製 30mmolの塩化金酸水溶液30mlと臭化テトラオ
クチルアンモニウムのトルエン溶液(50mmol,8
0ml)を混合し、撹拌することにより、塩化金酸イオ
ンをトルエン相に抽出した。トルエン相を分離・抽出
し、これにドデカンチオール0.201ml(0.84
2mmol)を加え、3〜4時間撹拌した。この溶液に
ホウ酸水素ナトリウム水溶液(0.4mol/1.25
ml)を滴下し、3〜4時間撹拌することにより金イオ
ンを還元した。トルエン相を分離・抽出した後、溶液を
約10mlまで濃縮し、エタノール400mlと混合し
た。この混合液を−18℃で保存することにより、金属
超微粒子を析出させた。生成した金属超微粒子はトルエ
ン−エタノール混合液から再結晶させることにより2回
精製した。生成した粒子の金属コアの直径は平均2.6
nmであった。粒径分布の半値巾は約2nmであった。
【0016】(2)ウエットゲルの作製 テトラメチルシリケイト51gをメタノール107gと
混合し、撹拌した。その後、撹拌しながら溶液中にアン
モニア水36gを加えた。この時、テトラメチルシリケ
イトとメタノール、水の比はモル比で1:10:6であ
った。1分ほど撹拌した後、混合液を円柱形の型(直径
40mm, 深さ10mm)に流し込んだ。これを約1時
間放置し、反応液がゼリー状に固まっていることを確認
してから、乾燥するのを防ぐため、ポリ塩化ビニリデン
フィルムで密封した。その後、1日放置し、ゲル化を進
行させた。その後、型から取り出し、エタノールに浸し
て1日以上放置した。ゲル中に残存する水やアンモニア
を完全に除去するため、その後、エタノールの取替えを
2回行った。
【0017】(3)金属超微粒子のウエットゲルへの吸
着 シリカウエットゲルの溶媒を、エタノールから、トルエ
ン−エタノール1:1、トルエンの順に置換した。置換
を完全に行うために、1:1溶液には2回、トルエン溶
液へは3回浸透させた。それぞれの溶液への浸透は1日
以上行った。その後、金属超微粒子のトルエン溶液(濃
度:3mg/50ml)にシリカウエットゲルを浸し
た。60時間程度放置すると、溶液中の金超微粒子が完
全にシリカウエットゲルに吸着され、担持体が形成され
た。図1に、ウエットゲル担持体の写真を示す。
【0018】実施例2 実施例1の方法により作製したウエットゲル担持体を、
炭酸ガスで超臨界乾燥することにより、エアロゲル担持
体を得た。次に、上述のようにして得られたウエットゲ
ル担持体を、トルエンを満たしたオートクレーブ中に入
れ、トルエンを満たした。ゲルの液相部を液化炭酸ガス
(臨界温度31.1℃、臨界圧力72.9気圧)に置換
するため、加圧ポンプで加圧しながら、液化炭酸ガスを
オートクレーブ内に注入した。90気圧になったとき気
圧を保つようにバルブを調節し、20℃で2時間保持し
た。完全に置換するために置換操作は3回行った。3回
目の置換が終わった後にバルブを閉め、オートクレーブ
の中の気圧を保持した。オートクレーブの温度を上昇さ
せ、圧力を100気圧に上昇させた。その後、バルブを
調節し、圧力を保持した。試料の温度が40℃を超えた
ところで、気圧を1気圧/分の速度で減少するように、
オートクレーブ内の炭酸ガスを抜き去った。
【0019】生成したエアロゲル担持体内の超微粒子の
金属コアの直径は担持前と同様であった。図2に、エア
ロゲル担持体のTEM写真を示す。図3に、本発明の方
法により得られたエアロゲル担持体の可視光吸収スペク
トルを示す。金属超微粒子により本来可視光領域では透
明なシリカエアロゲルが着色していることがわかる。
【0020】実施例3 上記実施例2の方法により作製したエアロゲル担持体を
熱分析したところ、約290℃においてチオール分子の
脱離に対応する重量減少が観測された。このデータを基
に、窒素雰囲気中(流量:20ml/min)、300
℃で1時間、エアロゲル担持体を加熱した。加熱後のゲ
ルは目視において、加熱前のものと色の変化はなく、ま
た、可視光吸収スペクトルもほとんど一致することか
ら、加熱による粒子径の変化はほとんどないものと考え
られる。図4に、金属超微粒子を担持したシリカエアロ
ゲルの加熱前後の可視光吸収スペクトルを示す。
【0021】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、金属超
微粒子を担持した多孔質材料及びその作製方法に係るも
のであり、本発明によれば、1)予め作製した直径2〜
3nmの金属超微粒子の粒子サイズそのままに、金属超
微粒子を担持した多孔質体を、その担持量を制御して作
製することができる、2)また、金属超微粒子を、表面
の保護分子を除去した形態で、多孔体に分散させること
ができる、3)触媒等への応用において、金属超微粒子
を担持した多孔質体中の金属超微粒子のサイズを小さく
することにより、その表面積を増加し、触媒効率を向上
させることができる、4)また、数nmサイズの金属超
微粒子では量子サイズ効果も期待され、非線形光学材料
など量子サイズ効果を用いた材料等への応用が期待され
る、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】トルエン中で金超微粒子を吸着したシルカウエ
ットゲルの写真を示す。
【図2】金超微粒子を担持したシリカエアロゲルのTE
M写真を示す。
【図3】金超微粒子を担持したシリカエアロゲルの可視
光吸収スペクトルを示す。
【図4】熱処理前後の金超微粒子担持シリカエアロゲル
の可視光吸収スペクトルを示す。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C01B 33/12 C01B 33/12 A (72)発明者 渡邉 政夫 愛知県海部郡佐織町大字西川端新田字須原 8番地 (72)発明者 種村 榮 愛知県名古屋市守山区小幡常燈5−32 Fターム(参考) 4G042 DA01 DB11 DB27 DC03 DD04 DE03 DE09 DE14 4G069 AA03 AA08 BA01A BA02A BA02B BA38 BB02A BB02B BC29A BC32A BC33A BC33B BC66A BC67A BC69A BC72A FA01 FA02 FB08 FB16 FB36 FB46 FB57 FC10 4G072 AA38 BB15 CC10 GG03 HH19 JJ09 LL15 MM31 UU15 UU17 UU30

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属超微粒子を担持した多孔質材料を作
    製する方法であって、以下の工程;金属イオンをチオー
    ルに代表される表面保護基の存在下で還元することによ
    り、表面を保護した金属超微粒子を作製する、 上記金属超微粒子の溶液にウエットゲルを浸すことによ
    り、金属超微粒子をゲル内に担持させた複合体とする、 上記金属超微粒子・ウエットゲル複合体を乾燥する、か
    ら成ることを特徴とする上記多孔質材料の作製方法。
  2. 【請求項2】 金属が、金、銀、パラジウムなどの貴金
    属、鉄、コバルトなどの遷移金属から選択される1種又
    は複数種である、請求項1に記載の金属超微粒子を担持
    した多孔質材料の作製方法。
  3. 【請求項3】 金属超微粒子の粒径が1〜20nmであ
    る、請求項1に記載の金属超微粒子を担持した多孔質材
    料の作製方法。
  4. 【請求項4】 金属超微粒子を溶解する溶媒が、トルエ
    ン、ヘキサン、及び/又はテトラヒドロフランである、
    請求項1に記載の金属超微粒子を担持した多孔質材料の
    作製方法。
  5. 【請求項5】 使用するウエットゲルが、シリカウエッ
    トゲルないしアルミナウエットゲルである、請求項1に
    記載の金属超微粒子を担持した多孔質材料の作製方法。
  6. 【請求項6】 複合体を自然乾燥あるいは超臨界乾燥に
    より乾燥する、請求項1に記載の金属超微粒子を担持し
    た多孔質材料の作製方法。
  7. 【請求項7】 請求項1に記載の方法で作製した多孔質
    材料を加熱することにより表面の保護分子を除去するこ
    とを特徴とする金属超微粒子を担持した多孔質材料の作
    製方法。
  8. 【請求項8】 請求項1から7のいずれかに記載の方法
    により作製された、金属超微粒子・エアロゲル複合体か
    ら構成される、金属超微粒子を担持した多孔質材料。
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